專利名稱：燃料電池用粘接材料及燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的層間的接合用的粘接材料及通過粘接材料將層間接合的燃料電池。
背景技術：
通常，燃料電池具有如下結構利用具有防水層的一對氣體擴散層夾持在電解質膜的各個面上形成(涂敷)有催化劑層的膜/電極接合體(Membrane Electrode Assembly,以下也稱為“MEA”)。以往，已知有通過在碳上吸附氟系聚合物而形成防水層并在MEA與氣體擴散層之間配置防水層來進行熱壓接(熱壓)，由此制造出將各層接合的燃料電池的方
法。
發明內容
在上述現有技術中，由于熱壓接時的熱量而使構成燃料電池的各層的水分氣化，各層可能因干燥而變形或劣化。而且，根據熱壓接，電解質膜以干燥收縮的狀態而與其他的層接合，因此由于接合后的運轉時的吸水而在電解質膜產生的內部應力容易變大。另一方面，在上述現有技術中，離聚物主要由熱運動而擴散，在層間纏結，由此來實現層間的接合，因此在比離聚物的玻璃化溫度低的常溫下的壓接中無法得到充分的接合強度。而且，燃料電池的層間的接合要求確保高的電子導電性(低電阻)。本發明為了解決上述的課題而作出，其目的在于提供一種即使通過常溫下的壓接也能夠確保燃料電池的層間的接合性和電子傳導性的技術。為了解決上述課題的至少一部分，本發明可以作為以下的方式或適用例來實現。[適用例I]一種粘接材料，是燃料電池的層間的接合用的粘接材料，包括粘接性樹脂；導電性粒子；及導電性樹脂。該粘接材料包括粘接性樹脂、導電性樹脂、導電性粒子，因此具有粘附性，即使通過常溫下的壓接也能夠提高燃料電池的層間的高分子材料彼此的密接性及纏結密度，能夠實現燃料電池的層間的牢固的接合。而且，在燃料電池的層間接合中使用僅包含導電性粒子的粘接材料作為導電性材料時，在層間的接合性上有時存在問題，但由于該粘接材料不僅包括導電性粒子而且包括導電性樹脂作為導電性材料，因此通過使用該粘接材料而能夠實現燃料電池的層間的接合性與電子傳導性這兩者。[適用例2]在適用例I記載的粘接材料中，所述導電性粒子的平均直徑大于所述燃料電池的催化劑載體的平均直徑。該粘接材料由于導電性粒子的平均直徑大于燃料電池的催化劑載體的平均直徑，因此粘接材料中的位于導電性粒子的周圍的包含粘接性樹脂及導電性樹脂的粘附材料難以進入燃料電池的催化劑層內的空隙。因此，即使在燃料電池的層間的接合中使用該粘接材料，也能夠抑制氣體擴散性的下降，從而能夠抑制燃料電池的性能下降。[適用例3]在適用例I或適用例2記載的粘接材料中，所述粘接材料中的所述粘接性樹脂的濃度為35%以上。如此，能夠使粘接材料具有良好的接合性。[適用例4]在適用例3記載的粘接材料中，所述粘接材料中的所述導電性粒子的濃度為3%以下。如此，能夠將粘接材料形成為容易涂敷在燃料電池的層上的膏劑狀。[適用例5]在適用例4記載的粘接材料中，
所述粘接材料中的所述導電性樹脂的濃度為50%以上。如此，能夠使粘接材料適合于進行無加濕高溫運轉的燃料電池的層間接合用。需要說明的是，本發明能夠以各種形態實現，例如，能夠以燃料電池用粘接材料、燃料電池、燃料電池系統、燃料電池或燃料電池系統的制造方法等方式實現。
圖I是簡要表示能夠適用本發明的實施方式的粘接材料的燃料電池100的剖面結構的說明圖。圖2是示意性地表示催化劑層與氣體擴散層之間的粘接面的狀態的說明圖。圖3是表示各狀態下的電解質膜112的寬度W的變化的說明圖。圖4是表示在第二性能評價中使用的層疊體的概要的說明圖。圖5是表示第二性能評價的結果的說明圖。
具體實施例方式A.燃料電池的結構圖I是簡要表示能夠適用本發明的實施方式的粘接材料的燃料電池100的剖面結構的說明圖。燃料電池100具備膜/電極接合體(以下，也稱為“MEA”)110和形成在MEAllO的各個面上的防水層(防水層122及124)及氣體擴散層(氣體擴散層126及128)。MEAllO具有在電解質膜112的各個面上形成(涂敷)有催化劑層(催化劑層114及116)的結構。通常，燃料電池100在夾著未圖示的隔板而層疊有多個燃料電池的電池組結構的狀態下使用。本實施方式的燃料電池100是固體高分子型燃料電池。電解質膜112是通過固體高分子材料例如具備全氟磺酸的氟系樹脂而形成的離子交換膜，在濕潤狀態下具有良好的質子傳導性。催化劑層114、116具備例如鉬或鉬合金作為催化劑。更具體而言，催化劑層114、116包括擔載上述催化劑的碳粒子和電解質材料(離聚物)。氣體擴散層126、128是具有氣體透過性的導電性構件，作為向MEAl 10供給反應氣體(含有氫的燃料氣體及含有氧的氧化氣體)的流路而發揮作用。氣體擴散層126、128可以通過碳紙、碳布、或金屬網、發泡金屬而形成。防水層122、124形成在氣體擴散層126、128的與MEAllO相對的一側的表面上。防水層122、124通過碳粒子和由聚四氟乙烯(PTFE PolytetrafIuoroethylene)等防水性樹脂構成的樹脂粒子形成，促進從MEAl 10、氣體擴散層126、128的過剩的水分的排出。
B.燃料電池的制造方法本實施方式的燃料電池100通過以下的方法制造。首先，準備MEAllO和形成有防水層122、124的氣體擴散層126、128。接下來，在MEAl 10的表面(即催化劑層114、116的表面)和形成有防水層122、124的氣體擴散層126、128的表面中的至少一方涂敷粘接材料。在此，所使用的粘接材料是將粘接性樹脂和導電性樹脂與溶劑一起混合并進而將作為導電性粒子的導電性碳混合進行吸附/分散從而制成的粘附性膏劑材料。作為粘接性樹脂，使用例如東亞合成公司的M-300，作為導電性樹脂，使用例如Chemitrek公司的enocoat BP105,作為導電性碳，使用例如KETJEN BLACK INTERNATIONAL公司的科琴黑(KETJEN BLACK)EC-600JD。而且，作為溶劑，使用例如乙醇。
在粘接材料的涂敷之后，將MEAllO與形成有防水層122、124的氣體擴散層126、128層疊，以常溫(例如20°C ±15°C)壓接。通過以上的工序，制造出將各層接合的燃料電池 100 (圖 I)。圖2是示意性地表示催化劑層與氣體擴散層之間的粘接面的狀態的說明圖。圖2Ca)表示配置在催化劑層114與陽極或陰極側的防水層122及氣體擴散層126之間的粘接材料AM。而且，在圖2 (b)中，將圖2 (a)的Xl部放大表示。如圖2 (b)所示，催化劑層114包括作為催化劑載體的碳粒子CC和位于碳粒子CC的周圍的離聚物10。而且，粘接材料AM包括導電性碳CP和由粘接性樹脂及導電性樹脂構成且位于導電性碳CP的周圍的粘附材料RE。在此，在本實施例中，如圖2 (b)所示,粘接材料AM中的導電性碳CP的平均粒徑Rp大于催化劑層114的作為催化劑載體的碳粒子CC的平均粒徑Re。當粘接材料AM中的導電性碳CP的平均粒徑Rp與作為催化劑載體的碳粒子CC的平均粒徑Re相同或比碳粒子CC的平均粒徑Re小時，粘接材料AM中的位于導電性碳CP的周圍的粘附材料RE容易進入催化劑層114內的空隙，由于粘附材料RE將催化劑層114內的空隙填埋而可能夠會引起氣體擴散性的下降。在本實施例中，由于粘接材料AM中的導電性碳CP的平均粒徑Rp大于作為催化劑載體的碳粒子CC的平均粒徑Re，因此粘接材料AM中的位于導電性碳CP的周圍的粘附材料RE難以進入催化劑層114內的空隙，即使在催化劑層與氣體擴散層之間的接合中使用包含粘接性樹脂、導電性樹脂、導電性碳在內的粘接材料，也能夠抑制氣體擴散性的下降，從而能夠抑制燃料電池的性能下降。如以上說明那樣，在本實施方式中，在燃料電池100的層間(具體而言，MEAllO的催化劑層114、116與形成有防水層122、124的氣體擴散層126、128之間)的接合中使用的粘接材料包含粘接性樹脂、導電性樹脂、導電性碳。因此，該粘接材料具有粘附性，利用常溫的壓接也能夠提高燃料電池100的層間的高分子材料彼此的密接性及纏結密度，不依賴于離聚物的種類、催化劑的種類、氣體擴散層的種類等，而能夠實現燃料電池100的層間的牢固的接合。另外，在本實施方式中，通過使用上述粘接材料能夠制造利用常溫的壓接將層間牢固地接合的燃料電池100，因此能夠抑制由于熱量而構成燃料電池的各層的水分發生氣化且各層因干燥而變形或劣化的情況。另外，在本實施方式中，通過使用上述粘接材料，能夠制造利用常溫下的壓接而將層間牢固地接合的燃料電池100，因此在電解質膜112產生的內部應力降低，能夠進一步提高燃料電池100的層間的接合性。圖3是表示各狀態下的電解質膜112的寬度W的變化的說明圖。在圖3的最上段表示常溫且常濕(例如相對濕度65%±20%)下的接合前的電解質膜112的寬度W1。而且，圖3的第4段表示利用常溫下的壓接來進行燃料電池100的接合的情況下的接合時的電解質膜112的寬度W4。寬度Wl與寬度W4大致相同。在圖3的第2段表示利用熱壓接(熱壓)來進行燃料電池100的接合的情況下的接合時的電解質膜112的寬度W2。而且，在圖3的第3段表示在接合后的燃料電池100的運轉時，電解質膜112將水分吸收而發生了膨潤時，假設電解質膜112為自由狀態(未受限制的狀態)時的電解質膜112的假想的寬度W3。從圖3可知，在利用熱壓接來進行燃料電池100的接合的情況下，在運轉時，在電解質膜112產生與寬度W3和寬度W2之差相當的內部變形(圖中的變形量A)。相對于此，在利用常溫下的壓接來進行燃料電池100的接合的情況下，在運轉時，在電解質膜112產生與寬度W3和寬度W4之差相當的內部變形(圖中的變形量B)。從圖3可知，變形量B比變形量A小。電解質膜112的內部應力與內部變形量成比例，因此在利用常溫下的壓接來進行燃料電池100的接合時，與利用熱壓接進行的情況相比，在運轉時，能夠降低在電解質膜產生的內部應力，其結果是，能夠進一步提高燃料電池100的層間的接合性。
另外，在本實施方式中，在層間的接合中使用的粘接材料不僅包括導電性碳而且包括導電性樹脂作為導電性材料，因此在燃料電池100中能夠確保層間的接合性并確保層間的電子傳導性。即，在粘接材料僅包含導電性碳作為導電性材料時，為了確保電子傳導性而僅提高導電性碳的濃度(導電性碳量占粘接材料整體的比例，以下相同)時，無法將粘接材料膏劑化，為了使粘接材料膏劑化而也提高溶劑的濃度時，無法充分提高燃料電池100的層間的接合性。在本實施方式中，不是提高粘接材料中的導電性碳的濃度，而通過在粘接材料中包含導電性樹脂來確保層間的電子傳導性，從而能夠得到可確保層間的接合性和電子傳導性的粘接材料。另外，在本實施方式中，由于在燃料電池100的層間的接合中使用的粘接材料具有粘附性，因此與一般的熱壓接相比，能夠利用小壓力下的壓接實現層間的更牢固的接合。因此，能夠防止催化劑層114、116中的細孔被壓扁而氣體擴散性下降的情況，并且能夠抑制由于氣體擴散層126、128的表面的毛刺而在MEAllO形成貫通孔從而發生氣體泄漏的情況。而且，與催化劑層114、116的載體直徑相比，燃料電池100中的粘接材料的層厚充分小，因此不會發生粘接材料將催化劑層114、116中的細孔封閉而妨礙氣體擴散性的情況。C.性能評價Cl.第一性能評價以上述的實施方式為基礎，制作作為實施例的燃料電池用粘接材料，與比較例一起評價了性能。表I表示實施例及比較例中的粘接材料的配合比(各成分的濃度)。需要說明的是，在本性能評價中，使用chemitrek社的enocoat BP105作為導電性樹脂,使用東亞合成公司的M-300作為粘接性樹脂，使用乙醇作為溶劑，使用KETJEN -BLACK · INTERNATIONAL公司的科琴黑(KETJEN BLACK) EC-600JD作為導電性碳。表I
權利要求
1.一種粘接材料，是燃料電池的層間的接合用的粘接材料，包括 粘接性樹脂； 導電性粒子；及 導電性樹脂。
2.根據權利要求I所述的粘接材料，其中， 所述導電性粒子的平均直徑大于所述燃料電池的催化劑載體的平均直徑。
3.根據權利要求I或2所述的粘接材料，其中， 所述粘接材料中的所述粘接性樹脂的濃度為35%以上。
4.根據權利要求3所述的粘接材料，其中， 所述粘接材料中的所述導電性粒子的濃度為3%以下。
5.根據權利要求4所述的粘接材料，其中， 所述粘接材料中的所述導電性樹脂的濃度為50%以上。
6.一種燃料電池，具備 電解質膜； 配置在所述電解質膜的兩面上的催化劑層；及 配置在所述催化劑層的與所述電解質膜相對的面的相反側的面上且向所述催化劑層供給反應氣體的氣體擴散層， 所述催化劑層和所述氣體擴散層使用粘接材料來接合， 所述粘接材料包含粘接性樹脂、導電性粒子、導電性樹脂。
7.根據權利要求6所述的燃料電池，其中， 所述導電性粒子的平均直徑大于所述催化劑層的催化劑載體的平均直徑。
8.根據權利要求6或7所述的燃料電池，其中， 所述粘接材料中的所述粘接性樹脂的濃度為35%以上。
9.根據權利要求8所述的燃料電池，其中， 所述粘接材料中的所述導電性粒子的濃度為3%以下。
10.根據權利要求9所述的燃料電池，其中， 所述粘接材料中的所述導電性樹脂的濃度為50%以上。
全文摘要
燃料電池的層間的接合用的粘接材料包括粘接性樹脂、導電性粒子、及導電性樹脂。
文檔編號C09J9/02GK102823047SQ201080065888
公開日2012年12月12日 申請日期2010年4月1日 優先權日2010年4月1日
發明者關根忍 申請人:豐田自動車株式會社